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技術專文
表一、計算流體力學與高斯擴散模式差異表（陳威成，2006） [6] 表二、建築物週圍氣流特性 ( 朱佳仁，2006) [9]
優點 缺點 示意圖 特性描述
高斯擴散模式
1. 容易使用，可作長期評估。 1. 無法考慮風速、風向在不同時間或地點改變的情形，以及靜 迎風面渦流
2. 依照Martin的擴散標準差計算方法，並加入氣象條件，在長距離的擴 風時的情況。
散濃度時較為準確。 2. 瞬間排放或意外情況釋出時擴散的情形無法計算。 當風遇到高層建築物時，部份氣流會由建築物上方與兩側加速地繞過去，
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3. 不須設定網格，藉由擴散標準差計算方法，將可計算至下游10 公尺， 3. 不能計算垂直風切的效應。 部份氣流沿建築物的迎風面向下切，在建築物的前方形成渦漩。
計算遠距離時較為方便。 4. 受地形限制，無法用於不均勻的地形上。
4. 具有極大的彈性，容易加以修改以適合不同的情況。
計算流體力學 1. 下游短距離的擴散濃度比高斯模式準確，因其所求解的是完整的擴散 1. 模式較為複雜，且計算量龐大受電腦軟硬體的限制。
方程式。 2. 無考慮大氣條件的影響，長距離會有些許問題。
2. 可計算污染物濃度隨時間改變之情形。 3. 大尺度範圍內遠距離處的網格的尺寸大，較易失真。
建築物尾流
3. 不受地形影響，也可計算較為複雜的幾何區域。
4. 無距離上的限制。 當風遇到建築物時，會在建築物的後方形成流場紊亂的尾流區，因為此
區的氣壓低於大氣壓力，故越過建築物上方的氣流會受到背風面之負壓
5. 可以計算出整個擴散的形狀及濃度分佈。
力的吸引，向下及向建築物後方流動，形成一個氣流迴旋流場。
文獻回顧 展，形成紊流；另一則相信在層流 equations model)。而在雙方程式 角隅強風
中一般微小之擾動還不至於擴散， 模式方面，紊流效應是以等方向性
當氣流要由建築物兩側繞過去時，流體會有加速的現象。同時在角隅處，
當加入適當大小之擾動時則立即開 之渦流或紊流係數來表示，並以紊 會產生渦漩分離的現象，造成建築物角隅兩側有較強的風速。
對於高科技廠房，污染物之擴散行 始變亂，或因周界擴散而生成正壓 流動能值與紊流動能擴散率值來計
為一直是重要課題。由於大氣穩定 力波時，使得微小擾動振幅增大而 算。Jones et al. [8] 所提出的標準模
度影響到煙柱往下游的擴散行為， 形成紊流。 式是最為人所熟悉的模式之一。其
Liu et al. [1] 嘗試利用 CFD 進行分 半經驗模式公式是基於流場為完全
紊流所有的性質都會隨時間與空
析，發現對於不穩定分層大氣環境 紊流和忽略分子黏性效應的假設而
間的方向，在一個平均值上下迅
(Unstable Stratified Atmosphere) 導出，因此標準模式應只適用於完 遮蔽效應
速而不規則的變動，所以大多數
中的煙柱而言，傳統高斯擴散模 全紊流流場型式。但由於此模式對 近似高度與規模的建築群比鄰而立時，對於迎面而來的氣流產生類似阻
學者皆認同在紊流的理論分析中，
式所無法預測出的煙柱下降與上升 許多不同的紊流流場型式，仍有尚 牆的遮蔽作用，迫使氣流由建築群的上方越過及側邊繞過；若高層建築
可將瞬時量視為時間平均部分與擾 物前方為低矮建築物，則兩建築物之間會有極強渦漩發生。
軌跡皆可藉此模擬得出。近年來， [7] 可接受的準確性，並具有簡單、經
動部分之 和。Hinze 書籍內提到
建築風場常以 CFD 模式來解析， 濟效應等優點，故可解釋此模式在
Reynolds 即 以 此 觀 念 代 入 Navier-
Nelson et al. [2] 提出將 CFD 應用於 流場和熱傳模擬應用的普遍性。
Stokes 方程式，並取其時間平均，
建築氣流場的預測，Murakami et
整理可得雷諾平均方程式 (Reynolds 除此之外，都市風場受到風速、風
al. [3] 開始應用 CFD 數值模擬來分
Average Equation)，如下列公式： 向及建築群的幾何外型與配置等眾
析建築物外部風場及室內外氣流。 多因素的交互影響之下，形成複雜 金字塔效應
Theurer et al. [4] 指出，污染物擴散 j u i u j x i g p i x j x i u j x i u u j i F 的氣流運動，造成戶外風場評估的
行為會受到地形、障礙物與建築物 對於逐漸上升且退縮的建築或建築群，建築物頂部分離剪力層受到漸次
困難度上升，以下詳述建築物周圍 升高的邊界影響，匯聚成一股向上湧昇的氣流，金字塔效應的影響下，
的形狀、排列方式、污染源排放位 其中對流項所產生的六個雷諾應力 [9] 下切氣流與角隅強風較弱。
氣流特性如 表二 。
置等影響。李沁怡等人 [5] 比較高斯 (Reynolds stress)，造成方程式個
擴散模式與 FLUENT 之計算結果， 數少於變數個數的現象，只擁有四
發現對於較為複雜的建築擴散模擬 個傳遞方程式（連續方程式及三個
結果而言，CFD 更符合實際狀況， 不同方向之雷諾平均方程式），但 計畫方法 縮流效應
如污染物依風向擴散以及在建築物 欲求解十個未知變數（平均壓力、 當風由一寬廣區域吹進狹窄街道時，由於流通斷面積減小，氣流會有加
速的現象，形成高風速區出現，氣流加速的現象會隨著建築物之間距離
周圍堆積與繞流等現象；計算流體 三項平均分速及六個雷諾應力）的 的增大會明顯減低。
力學與高斯擴散模式主要的差異如 情況。為了解決這個問題，便需要
建立範疇邊界與網格的模型，並收
表一 [6] 。 仰賴紊流模式的引入。
集新建廠廠區及其鄰近建築物相對
常見的流體問題，可分為黏性之層 鑒於近年來學者們對於紊流模式的 位置、尺寸、空氣污染物排放資料
風道效應
流以及紊流兩大類，實際情況則以 努力，已有許多不同的紊流模式產 與竹科地形，運用其條件建立一穩
當不同流向的氣流，流經都市巷道這種多具平行走向的建築物中，會驅
紊流現象較為普遍。至今對於紊流 生，其主要可分為三種型態：零方 態 CFD 網格模型，輔以實際運轉 使氣流脫離原本的風向而沿街谷的走向流動，藉由風道效應可將風向導
生成問題之發展研究而論，可分為 程式模式 (Zero-equation Model)、 廠區外氣風向資料，分析空氣污染 至較不通風之區域。
兩大派：一為流體變亂是由於微小 單方程式模式 (One equation 物擴散結果。本研究之基本假設分
的擾動，且足以按照指數方式發 model) 與雙方程式模式 (Two 別如下：
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